DE19823944A1 - Power diode structure - Google Patents

Power diode structure

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Jens-Peer Stengl
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Abstract

The invention relates to a power diode structure having improved dynamic characteristics which comprises a semiconductor body (1) of a first conduction type. A semiconductor zone (2) of the other conduction type which is contrary to the first conduction type is embedded in the one surface of said semiconductor body (1). The power diode also comprises an anode (4) which contacts the semiconductor zone (2), and has a cathode (5) which contacts the semiconductor body (1). At least one floating region (6) of the second conduction type is provided in the semiconductor body (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Leistungsdioden- Struktur mit verbesserten dynamischen Eigenschaften, mit ei­ nem Halbleiterkörper des einen Leitungstyps, in dessen eine Oberfläche eine Halbleiterzone des anderen, zum einen Lei­ tungstyp entgegengesetzten Leitungstyps eingebettet ist, ei­ ner die Halbleiterzone kontaktierenden ersten Elektrode und einer den Halbleiterkörper kontaktierenden zweiten Elektrode.The present invention relates to a power diode Structure with improved dynamic properties, with egg nem semiconductor body of one conductivity type, in one Surface of a semiconductor zone of the other, on the one hand Lei opposite line type is embedded, ei ner first electrode contacting the semiconductor zone and a second electrode contacting the semiconductor body.

In A. Porst, F. Auerbach, H. Brunner, G. Deboy und F. Hille, "Improvement of the diode characteristics using emitter con­ trolled principles (Emcon-Diode)", Proc. ISPSD 1997, Seiten 213-216 (1997) ist eine Leistungsdiode beschrieben, bei der durch spezielle Einstellung der Ladungsträgerverteilung im Mittenbereich der Diode deren statisches und dynamisches Ver­ halten beeinflußt wird, indem die sog. Hall- und Kleinmann- Prinzipien kombiniert werden.In A. Porst, F. Auerbach, H. Brunner, G. Deboy and F. Hille, "Improvement of the diode characteristics using emitter con trolled principles (Emcon diode) ", Proc. ISPSD 1997, pages 213-216 (1997) describes a power diode in which through special adjustment of the charge carrier distribution in the Center area of the diode its static and dynamic Ver hold is influenced by the so-called Hall and Kleinmann Principles are combined.

Weiterhin ist aus US 4 134 123 eine Hochspannungs-Schottky- Diode bekannt, bei der in einen n-leitenden Halbleiterkörper mit einem Schottky-Kontakt floatende p-leitende Gebiete ein­ gebettet sind, wodurch die Sperrcharakteristik der Diode we­ sentlich verbessert wird.Furthermore, from US 4 134 123 a high-voltage Schottky Known diode in the case of an n-type semiconductor body with a Schottky contact floating p-type regions are embedded, whereby the blocking characteristic of the diode we is significantly improved.

Schließlich ist aus EP 0 565 350 B1 eine Diode bekannt, bei der mit einem Anodenbereich eine Pufferschicht verbunden ist, in der sich Gebiete hoher und niedriger Leitfähigkeit abwech­ seln, wobei jedes Gebiet niedriger Leitfähigkeit im wesentli­ chen durch ein zwischen diesem und dem benachbarten Gebiet hoher Leitfähigkeit herrschendes Diffusionspotential verarmt ist. Dadurch soll eine hohe Injektionswirksamkeit von Löchern aus dem Anodenbereich bei niedrigem spezifischen Widerstand der Pufferschicht erzielt werden.Finally, a diode is known from EP 0 565 350 B1, at a buffer layer is connected to an anode area, in which areas of high and low conductivity alternate seln, with each area of low conductivity essentially by a between this and the neighboring area high conductivity prevailing diffusion potential impoverished is. This is said to ensure a high injection efficiency of holes  from the anode area with low resistivity the buffer layer can be achieved.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Leistungsdi­ oden-Struktur zu schaffen, bei der die Speicherladung redu­ ziert ist, um die Gesamtverluste zu minimieren, bei der wei­ terhin das Fast-Recovery-Verhalten verbessert ist, so daß ei­ ne rasche Spannungsaufnahme erfolgt und damit eine geringe Rückstromspitze vorliegt, und bei der auch das Soft-Recovery- Verhalten verbessert ist, so daß kein Stromabriß bei der Kom­ mutierung eintritt und eine gute Bedämpfung von Überspan­ nungsspitzen vorliegt, und die sich durch gute Durchlaßeigen­ schaften bei einem möglichst geringen Temperaturgang von Vor­ wärtskennlinie und Speicherladung auszeichnet.It is an object of the present invention to provide a performance di oden structure to create, in which the storage charge redu is adorned to minimize the total losses at which we thereafter the fast recovery behavior is improved, so that ei ne rapid voltage absorption takes place and thus a low Reverse current peak, and which also includes the soft recovery Behavior is improved, so that no power cut at the com mutation occurs and good damping of span peaks, which are due to good passage with the lowest possible temperature change from before characteristic and storage charge.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich eine Leistungsdioden- Struktur der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch aus, daß im Halbleiterkörper mindestens ein floatendes Gebiet des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist.To solve this task, a power diode Structure of the type mentioned in the introduction from that in the semiconductor body at least one floating area of the second line type is provided.

Die erfindungsgemäße Leistungsdioden-Struktur enthält im Ge­ gensatz zu den bestehenden Leistungsdioden nach dem Stand der Technik bei beispielsweise einem n-leitenden Halbleiterkörper im rückwärtigen Bereich der n--leitenden Driftstrecke Gebiete des entgegengesetzten Leitungstyps, also p-leitende floatende Gebiete, die kugelförmig, säulenförmig oder sonst beliebig gestaltet sein können. Die Dotierung dieser floatenden Gebie­ te ist dabei so gewählt, daß in lateraler Richtung der Lei­ stungsdiode, also in der Richtung senkrecht zu der Verbin­ dungsrichtung zwischen erster Elektrode bzw. Anode und zwei­ ter Elektrode bzw. Kathode, weder in den p-leitenden floaten­ den Gebieten noch in den dazwischenliegenden Gebieten des n­ leitenden Halbleiterkörpers die materialspezifische Durch­ bruchsladung überschritten wird. Diese beträgt bei Silizium etwa 2 × 1012 cm-2. Besonders zweckmäßig ist dabei eine Dotie­ rung, die etwa in der Größenordnung der halben Durchbruchsla­ dung liegt, d. h. bei Silizium etwa 1012 cm-2 beträgt.In contrast to the existing power diodes according to the prior art, the power diode structure according to the invention contains, for example, an n-type semiconductor body in the rear region of the n - -conducting drift region, regions of the opposite conduction type, that is to say p-type floating regions, which are spherical, columnar or can be designed in any other way. The doping of these floating areas is selected such that in the lateral direction of the power diode, that is, in the direction perpendicular to the direction of connection between the first electrode or anode and two ter electrodes or cathode, neither in the p-type float Areas still in the intermediate areas of the n conductive semiconductor body, the material-specific breakthrough charge is exceeded. For silicon this is approximately 2 × 10 12 cm -2 . Particularly advantageous is a doping, which is approximately in the order of half of the breakthrough charge, ie is approximately 10 12 cm -2 for silicon.

In vorteilhafter Weise kann der Halbleiterkörper außerhalb des Bereiches der floatenden Gebiete und somit der homogen dotierte Teil der Driftstrecke höher als bei bestehenden Lei­ stungsdioden dotiert werden. Als Beispiel sei hierfür für ei­ ne Leistungsdiode mit einer Nennspannung in der Größenordnung von 600 V eine Dotierungskonzentration der Driftstrecke von 8.1014 cm-2 bei einer Schichtdicke von etwa 25 µm für Silizium genannt. Es hat sich gezeigt, daß bei einer derartigen Ausle­ gung der Rand der Raumladungszone den Bereich der floatenden Gebiete dann bei etwa 300 V erreicht. Aufgrund der höheren Dotierung in der Driftstrecke muß dann zur Aufnahme einer be­ stimmten Spannung von beispielsweise 200 V ein geringerer Be­ reich der Driftstrecke ausgeräumt werden, so daß bei gleicher Überschwemmung mit Ladungsträgern weniger Ladung bewegt wer­ den muß.Advantageously, the semiconductor body outside the region of the floating regions and thus the homogeneously doped part of the drift path can be doped higher than with existing power diodes. An example of this is a doping concentration of 8.10 14 cm -2 with a layer thickness of about 25 µm for silicon for a power diode with a nominal voltage of the order of 600 V. It has been shown that with such a design the edge of the space charge zone then reaches the region of the floating regions at about 300 V. Because of the higher doping in the drift section, a smaller loading area of the drift section must then be removed to accommodate a certain voltage of, for example, 200 V, so that less charge has to be moved with the same flooding with charge carriers.

Eine derart aufgebaute Leistungsdioden-Struktur zeichnet sich durch eine im Vergleich zum Stand der Technik geringere Rück­ stromspitze bei einer schnelleren Spannungsaufnahme aus, so daß insgesamt ein verbessertes Fast-Recovery-Verhalten er­ reicht wird.A power diode structure constructed in this way is noticeable due to a lower return compared to the prior art current peak at a faster voltage consumption, so that overall he improved fast recovery behavior is enough.

Die erfindungsgemäße Leistungsdioden-Struktur wird in vor­ teilhafter Weise so ausgelegt, daß die floatenden Gebiete bei Anlegen von etwa 80% der üblichen Betriebsspannung, also nicht der Maximalspannung der Leistungsdiode, was beispiels­ weise bei 600 V-Leistungsdioden etwa 300 bis 400 V sind, von der Raumladungszone erreicht werden. Die Raumladungszone dehnt sich dabei im Bereich der floatenden Gebiete zunächst relativ rasch aus, so daß einem weiteren Spannungsanstieg der Abfluß einer relativ großen Ladungsträgermenge entgegensteht. Damit wird in der Phase nach einem Überschreiten der Rück­ stromspitze eine gute Bedämpfung des Kommutierungsvorganges erreicht.The power diode structure according to the invention is shown in front partially designed so that the floating areas at Apply about 80% of the usual operating voltage, so not the maximum voltage of the power diode, for example as with 600 V power diodes are about 300 to 400 V, from the space charge zone can be reached. The space charge zone initially stretches in the area of the floating areas relatively quickly, so that a further increase in voltage Outflow prevents a relatively large amount of charge carriers. This is in the phase after exceeding the back  current peak good damping of the commutation process reached.

In zweckmäßiger Weise wird der Kompensationsgrad des Halblei­ terkörpers im Bereich der floatenden Gebiete so eingestellt, daß sich ein deutliches Übergewicht der Dotierung der floa­ tenden Gebiete ergibt. Das heißt, wenn für die floatenden Ge­ biete beispielsweise p-leitende säulenförmige Gebiete in ei­ nem n-leitenden Halbleiterkörper verwendet werden, so soll sich im Bereich der p-leitenden säulenartigen Gebiete eine deutlich p-lastige Nettodotierung einstellen. Auf diese Weise wird ein unproblematischer Wiederanstieg des elektrischen Feldes erreicht, so daß die zur Aufnahme der Nennspannung, beispielsweise 630 V, erforderliche Schichtdicke im Halblei­ terkörper relativ gering gehalten werden kann.The degree of compensation of the half lead is expediently body in the area of the floating areas that there is a clear preponderance of the doping of the floa areas. That means if for the floating Ge for example, offer p-type columnar areas in egg nem-type semiconductor body are used, so in the area of the p-type columnar areas set clearly p-heavy net doping. In this way becomes an unproblematic recovery of the electrical Field is reached, so that the for receiving the nominal voltage, for example 630 V, required layer thickness in the semi-lead body can be kept relatively low.

Zusammenfassend ist die Dotierung in den floatenden Gebieten und den sie umgebenden Gebieten des Halbleiterkörpers primär durch die Forderung nach Unterschreitung der Durchbruchsla­ dung begrenzt, wie dies oben erläutert wurde. Das heißt, bei Silizium sollte die Dotierung so gewählt werden, daß das la­ terale Ladungsintegral von 2.1012 cm-2 nicht überschritten wird. Bevorzugt wird die Dotierung so gewählt, daß das late­ rale Ladungsintegral im Bereich der halben Durchbruchsladung liegt.In summary, the doping in the floating areas and the areas of the semiconductor body surrounding them is primarily limited by the requirement that the breakthrough charge be undershot, as was explained above. This means that the doping of silicon should be chosen so that the la teral charge integral of 2.10 12 cm -2 is not exceeded. The doping is preferably chosen so that the late integral charge lies in the region of half the breakthrough charge.

Bei entsprechend feiner Strukturierung der floatenden Gebiete und der sie umgebenden Gebiete des Halbleiterkörpers sind Do­ tierungskonzentrationen im Bereich von 1015 cm-3 und höher einstellbar. Insbesondere kann die Dotierungskonzentration in den floatenden Gebieten so hoch werden, daß diese nicht mehr von Ladungsträgern überschwemmt werden. Die Bedämpfung des Kommutierungsvorganges wird dann nur noch von den in den floatenden Gebieten gespeicherten Ladungsträgern, also im obigen Beispiel von Löchern, getragen, die dann als Minori­ tätsladungsträgerstrom durch die Raumladungszone fließen. Dieser Minoritätsladungsträgerstrom ist von der Überschwem­ mung der Diode bzw. vom Strom im Freilaufkreis unabhängig. Damit wird eine Verbesserung des Kommutierungsverhaltens der Leistungsdioden-Struktur bei niedrigen Stromdichten erreicht.With a correspondingly fine structuring of the floating areas and the areas of the semiconductor body surrounding them, doping concentrations in the range from 10 15 cm -3 and higher can be set. In particular, the doping concentration in the floating regions can become so high that they are no longer flooded by charge carriers. The damping of the commutation process is then only carried by the charge carriers stored in the floating areas, that is, in the above example by holes, which then flow as a minority charge carrier current through the space charge zone. This minority charge carrier current is independent of the flooding of the diode or of the current in the freewheeling circuit. This improves the commutation behavior of the power diode structure at low current densities.

Werden die floatenden Gebiete ausreichend höher als die sie umgebenden Gebiete des Halbleiterkörpers dotiert, so daß im obigen Beispiel eine p-Lastigkeit der Dotierung vorliegt, so wird auch bei der Nennspannung ein Teil der floatenden Gebie­ te vor dem kathodenseitigen n-leitenden Emitter nicht ausge­ räumt. Dies ermöglicht es, die Kathode für die Löcherströme in der Form eines "transparenten Emitters" zu gestalten, so daß eine Rekombination der Löcher erst am rückwärtigen Me­ tallkontakt der Kathode und nicht in einem n+-leitenden Kon­ taktierungsgebiet vor der Kathode eintritt. In diesem Fall sollte aber im rückwärtigen Bereich des n-leitenden Halblei­ terkörpers zwischen den floatenden Gebieten in der Nähe der Kathode die Dotierungskonzentration entsprechend hoch gewählt werden, um einen Felddurchgriff zum Metallkontakt der Kathode zu verhindern.If the floating regions are doped sufficiently higher than the regions of the semiconductor body surrounding them, so that there is a p-load of the doping in the above example, part of the floating regions is not cleared out at the nominal voltage before the cathode-side n-type emitter . This makes it possible to design the cathode for the hole currents in the form of a "transparent emitter", so that a recombination of the holes occurs only at the rear metal contact of the cathode and not in an n + -contacting contact area in front of the cathode. In this case, however, the doping concentration should be chosen to be correspondingly high in the rear region of the n-type semiconductor body between the floating regions in the vicinity of the cathode in order to prevent field penetration to the metal contact of the cathode.

Wird, wie oben erläutert wurde, die Dotierung in den floaten­ den Gebieten und den sie umgebenden Gebieten des Halbleiter­ körpers jeweils so hoch gewählt, daß dieser Bereich nicht mit Ladungsträgern überschwemmt wird, so teilen sich die Elektro­ nenströme und die Löcherströme in verschiedene Bahngebiete auf. Der Emitterwirkungsgrad an der Kathode wird dann in dem obigen Beispiel nur von der n-Ladung zwischen dem Ende der floatenden p-leitenden Gebiete und dem Metallkontakt der Ka­ thode bestimmt. Damit kann der hintere Aufhängepunkt der La­ dungsträgerverteilung im überschwemmten Zustand der Lei­ stungsdioden-Struktur relativ weit abgesenkt werden, was zu einer entsprechend geringen Speicherladung führt. As explained above, the doping in the floats the areas and the surrounding areas of the semiconductor body chosen so high that this area does not If the charge carriers are flooded, the electrics divide streams of holes and the streams of holes in different railway areas on. The emitter efficiency at the cathode is then in the above example only from the n-charge between the end of the floating p-type areas and the metal contact of the Ka determined method. The rear suspension point of the La Manure distribution in the flooded state of the lei Stungsdioden structure are lowered relatively far, leading to leads to a correspondingly low storage charge.  

Das oben erläuterte Prinzip eines transparenten Emitters er­ laubt wie bei der eingangs erwähnten herkömmlichen Emcon- Diode eine relativ geringe Absenkung der Ladungsträgerlebens­ dauer in der Basis, wodurch niedrige Leckströme und insbeson­ dere eine geringe Temperaturabhängigkeit der Vorwärtskennli­ nie, gegebenenfalls sogar ein positiver Temperaturkoeffizient des Vorwärtsspannungsabfalles, zu erzielen sind. Dieser Vor­ teil tritt insbesondere bei Parallelschaltung mehrerer Lei­ stungsdioden-Strukturen auf. Ebenso wird die Speicherladung praktisch temperaturunabhängig.The principle of a transparent emitter explained above leaves as with the conventional Emcon- Diode a relatively small decrease in charge carrier life duration in the base, resulting in low leakage currents and in particular a low temperature dependence of the forward characteristic never, possibly even a positive temperature coefficient forward voltage drop. This before Part occurs especially when several Lei are connected in parallel Stungsdioden structures. Likewise, the storage charge practically independent of temperature.

Aufgrund des Majoritätsladungsträgertransports von Elektronen und Löchern im Halbleiterkörper im Gebiet um die floatenden Gebiete bzw. in den floatenden Gebieten selbst tragen die floatenden Gebiete nicht wesentlich zu den Durchlaßverlusten der Leistungsdioden-Struktur bei. Dies bedeutet, daß die Durchlaßeigenschaften der Leistungsdioden-Struktur durch die floatenden Gebiete wenigstens nicht verschlechtert werden.Because of the majority charge carrier transport of electrons and holes in the semiconductor body in the area around the floating Areas or in the floating areas themselves bear the floating areas are not essential to the transmission losses the power diode structure. This means that the Pass-through properties of the power diode structure through the floating areas are at least not deteriorated.

Die floatenden Gebiete können, wie bereits oben erwähnt wur­ de, säulenförmig, kugelförmig, ellipsoidförmig usw. gestaltet sein. Sie können dabei Streifendesigns, Zellendesigns mit quadratischer oder hexagonaler Anordnung bilden oder auch gitterförmig vorgesehen werden.The floating areas can, as mentioned above de, columnar, spherical, ellipsoidal, etc. designed be. You can use stripe designs, cell designs with form square or hexagonal arrangement or also be provided in a lattice shape.

Das oben erläuterte Prinzip der erfindungsgemäßen Leistungs­ dioden-Struktur ist ohne weiteres auch auf MOSFETs mit p-Kanal bzw. n-Kanal, JFETs, Bipolartransistoren und Thyristo­ ren anwendbar. Auch können andere Halbleitermaterialien als Silizium, wie beispielsweise GaAs oder SiC verwendet werden.The principle of performance according to the invention explained above diode structure is also readily available on MOSFETs p-channel or n-channel, JFETs, bipolar transistors and thyristo ren applicable. Semiconductor materials other than Silicon such as GaAs or SiC can be used.

Die floatenden Gebiete selbst können beispielsweise durch Mehrfachepitaxie und/oder wiederholte und maskierte Ionenim­ plantationen oder auch durch Ätzen und Auffüllen von Gräben oder durch Hochenergie-Ionenimplantationen erzeugt werden.The floating areas themselves can, for example, by Multiple epitaxy and / or repeated and masked ions in the plantations or by etching and filling trenches or generated by high energy ion implantation.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will be described in more detail below with reference to the drawings explained. Show it:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemä­ ßen Leistungsdioden-Struktur, Fig. 1 shows a first embodiment of the inventive SEN power diode structure,

Fig. 2 den Raumladungszonenverlauf bei der Leistungsdi­ oden-Struktur von Fig. 1, wenn eine Spannung von 300 V bzw. 600 V an der Leistungsdioden-Struktur anliegt, Fig. 2, when a voltage of 300 V or 600 V is applied to the space-charge zone in the course of Leistungsdi oden structure of Fig. 1 to the power diode structure,

Fig. 3 den Verlauf der elektrischen Feldstärke in der Lei­ stungsdioden-Struktur bei Sperrpolung, Fig. 3 shows the profile of the electric field strength in the Lei stungsdioden structure with blocking polarity,

Fig. 4 den Verlauf der Ladungsträgerkonzentration in der Leistungsdioden-Struktur bei Flußpolung, Fig. 4 shows the profile of the carrier concentration in the power diode structure for forward biasing,

Fig. 5 eine Detaildarstellung zur Erläuterung eines trans­ parenten Emitters, Fig. 5 is a detailed view for explaining a trans ent emitter,

Fig. 6 eine Anwendung der erfindungsgemäßen Leistungsdi­ oden-Struktur auf einen MOSFET und Fig. 6 shows an application of the power diode structure according to the invention to a MOSFET and

Fig. 7 eine Anwendung der erfindungsgemäßen Leistungsdi­ oden-Struktur auf einen GTO-Thyristor. Fig. 7 shows an application of the invention Leistungsdi oden structure on a GTO thyristor.

Fig. 1 zeigt eine Leistungsdioden-Struktur mit einem n--leitenden Halbleiterkörper 1, einer p-leitenden Halbleiterzo­ ne 2, einer n-leitenden Kontaktzone 3, einem Anodenkontakt 4 und einem Kathodenkontakt 5. Fig. 1 shows a power diode structure with an n - type semiconductor body 1 , a p-type semiconductor zone 2 , an n-type contact zone 3 , an anode contact 4 and a cathode contact 5 .

Erfindungsgemäß sind in den Halbleiterkörper 1 säulenförmige floatende p-leitende Gebiete 6 eingebettet. Diese Gebiete 6 können gegebenenfalls auch kugelförmig, ellipsoidförmig oder in sonstiger Weise gestaltet sein.According to the invention, columnar floating p-type regions 6 are embedded in the semiconductor body 1 . These regions 6 can optionally also be spherical, ellipsoidal or in some other way.

Von Bedeutung ist aber, daß die Dotierung dieser Gebiete 6 so gewählt wird, daß in lateraler Richtung, also senkrecht zur Verbindungsrichtung zwischen der Anode 4 und der Kathode 5 weder in den p-leitenden Gebieten 6 noch in den zwischen die­ sen liegenden Gebieten des Halbleiterkörpers 1 die spezifi­ sche Durchbruchsladung des Halbleitermaterials, für Silizium also etwa 2.1012 cm-2, nicht überschritten wird. Ein geeigne­ ter Wert ist beispielsweise für Silizium 1.1012 cm-2.It is important, however, that the doping of these regions 6 is selected such that in the lateral direction, that is to say perpendicular to the connection direction between the anode 4 and the cathode 5, neither in the p-type regions 6 nor in the regions of the semiconductor body lying between them 1 the specific breakthrough charge of the semiconductor material, that is to say about 2.10 12 cm -2 for silicon, is not exceeded. A suitable value is, for example, for silicon 1.10 12 cm -2 .

Der Bereich des Halbleiterkörpers 1 zwischen den Gebieten 6 und der Halbleiterzone 2, also der "obere" homogen dotierte Teil der Driftstrecke, kann im Vergleich zu bestehenden Lei­ stungsdioden-Strukturen höher dotiert werden und für bei­ spielsweise eine 600 V-Leistungsdiode im Bereich von 8.1014 cm-3 bei einer Schichtdicke von etwa 25 µm liegen.The area of the semiconductor body 1 between the areas 6 and the semiconductor zone 2 , that is to say the “upper” homogeneously doped part of the drift path, can be doped higher than existing power diode structures and for example for a 600 V power diode in the range of 8.10 14 cm -3 with a layer thickness of about 25 µm.

Bei einer derartigen Gestaltung reicht dann der Rand der Raumladungszone in den Bereich der p-leitenden Gebiete 6 bei etwa 300 V, wie dies durch eine Strichlinie 7 in Fig. 2 ver­ anschaulicht ist. Die Grenze der Raumladungszone in der Halb­ leiterzone 2 ist durch eine Strichlinie 8 angegeben, während der Verlauf der Raumladungszone im Halbleiterkörper 1 bei 600 V durch eine Punktlinie 9 gezeigt ist.With such a design, the edge of the space charge zone then extends into the region of the p-type regions 6 at approximately 300 V, as is illustrated by a broken line 7 in FIG. 2. The boundary of the space charge zone in the semiconductor zone 2 is indicated by a broken line 8 , while the course of the space charge zone in the semiconductor body 1 at 600 V is shown by a dotted line 9 .

Bei der erfindungsgemäßen Leistungsdioden-Struktur muß so aufgrund der höheren Dotierung zur Aufnahme einer bestimmten Spannung ein geringerer Bereich der Driftstrecke von Ladungs­ trägern ausgeräumt werden, was, wie oben bereits erläutert wurde, zu einem verbesserten Fast-Recovery-Verhalten führt.In the case of the power diode structure according to the invention, so due to the higher doping to accommodate a certain one Voltage a smaller area of the drift distance of charge carriers, what, as already explained above has led to improved fast recovery behavior.

Fig. 3 zeigt in der rechten Hälfte den Verlauf der elektri­ schen Feldstärke E in kV/cm in Schnittflächen A-A' bzw. B-B' bei der Struktur von Fig. 2. Eine Kurve 10 gibt dabei die elektrische Feldstärke für 300 V zwischen Anode 4 und Kathode 5 an, während eine Kurve 11 die Feldstärke in der Schnittflä­ che A-A' bei einer anliegenden Spannung von 600 V und eine Kurve 12 die elektrische Feldstärke in der Schnittfläche B-B' ebenfalls bei einer anliegenden Spannung von 600 V zeigen. Fig. 3 shows in the right half the course of the electric field's E in kV / cm in cut areas AA 'or BB' in the structure of Fig. 2. A curve 10 gives the electric field strength for 300 V between anode 4 and Cathode 5 on, while a curve 11 shows the field strength in the section AA 'at an applied voltage of 600 V and a curve 12 shows the electric field strength in the section BB' also at an applied voltage of 600 V.

Der Wiederanstieg der elektrischen Feldstärke (vgl. die Fig. 11 und 12 in Fig. 3) wird durch eine deutlich p-lastige Net­ todotierung im Bereich der p-leitenden floatenden Gebiete 6 und der sie umgebenden Gebiete des Halbleiterkörpers 1 er­ reicht. Damit kann die zur Aufnahme der Nennspannung erfor­ derliche Schichtdicke relativ gering gehalten werden.The rise in the electric field strength (cf. FIGS. 11 and 12 in FIG. 3) is achieved by a clearly p-heavy net todotation in the region of the p-type floating regions 6 and the regions of the semiconductor body 1 surrounding them. The layer thickness required to absorb the nominal voltage can thus be kept relatively small.

Fig. 4 veranschaulicht den Verlauf der Ladungsträgerkonzen­ tration bei der Leistungsdioden-Struktur von Fig. 2 in Fluß­ polung, wenn eine Dotierung D (vgl. die rechte Hälfte von Fig. 4) von etwa 3.1016 cm-3 vorliegt. Auf der Schnittfläche B-B' (vgl. die linke Hälfte von Fig. 4) ergibt sich so für die p-Dotierung ein durch eine Kurve 13 gezeigter Verlauf, während die n-Dotierung durch eine Kurve 14 veranschaulicht ist. Fig. 4 illustrates the course of the charge carrier concentration in the power diode structure of Fig. 2 in flux polarity when a doping D (cf. the right half of Fig. 4) of about 3.10 16 cm -3 is present. On the sectional area BB '(cf. the left half of FIG. 4), there is a curve for the p-doping shown by a curve 13 , while the n-doping is illustrated by a curve 14 .

Wird der Bereich der p-leitenden Gebiete 6 hinreichend p-lastig ausgelegt, so wird auch bei Anlegung der Nennspannung ein Teil der Gebiete 6 vor dem rückseitigen n-Emitter nicht ausgeräumt, was es ermöglicht, die Kathode für die Löcher­ ströme in der Form eines transparenten Emitters zu gestalten. Mit anderen Worten, die Rekombination der Löcher erfolgt erst am Metallkontakt der Kathode 5, wie dies in Fig. 5 durch ei­ nen Pfeil 15 für den Löcherstrom veranschaulicht ist. Es liegt so ein "transparenter Emitter" 16 für den Löcherstrom (vgl. den Pfeil 15) vor. If the area of the p-type regions 6 is designed to be sufficiently p-heavy, even when the nominal voltage is applied, some of the regions 6 in front of the rear n-emitter are not cleared out, which makes it possible for the holes to flow in the shape of a cathode to design transparent emitters. In other words, the recombination of the holes takes place only at the metal contact of the cathode 5 , as is illustrated in FIG. 5 by an arrow 15 for the hole current. There is thus a "transparent emitter" 16 for the hole current (cf. arrow 15 ).

Im kathodenseitigen Bereich des n-leitenden Halbleiterkörpers 1 zwischen den Gebieten 6 muß im obigen Fall die Dotierung in einem Gebiet 17 (n+) höher als in den umgebenden Bereichen gewählt werden, um einen Felddurchgriff zu dem Metallkontakt der Kathode 5 zu verhindern.In the above case, the doping in an area 17 (n + ) higher than in the surrounding areas must be selected in the region of the n-conducting semiconductor body 1 between the regions 6 on the cathode side in order to prevent field penetration to the metal contact of the cathode 5 .

Bei der Anordnung von Fig. 5 teilen sich die Löcherströme (Pfeil 15) und die Elektronenströme (vgl. Pfeil 17) in ver­ schiedene Bahngebiete auf, so daß der Emitterwirkungsgrad nur von der n-leitenden Ladung zwischen dem Ende der p-leitenden Gebiete 6 und dem Metallkontakt der Kathode 5 bestimmt wird.In the arrangement of Fig. 5, the hole currents (arrow 15 ) and the electron currents (see arrow 17 ) are divided into different path regions, so that the emitter efficiency is only from the n-type charge between the end of the p-type regions 6 and the metal contact of the cathode 5 is determined.

Fig. 6 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Leistungs­ dioden-Struktur auf einen MOSFET (n-Kanal) mit einer Draine­ lektrode 18, einer p-leitenden Wanne 19, einer n+-leitenden Sourcezone 20, einer Source-Metallisierung 21 aus Aluminium, einer Gate-Elektrode 22 und einer Isolierschicht 23. Fig. 6 shows an application of the power diode structure according to the invention on a MOSFET (n-channel) with a drain electrode 18 , a p-type well 19 , an n + -type source zone 20 , a source metallization 21 made of aluminum, one Gate electrode 22 and an insulating layer 23 .

Fig. 7 zeigt eine Anwendung der erfindungsgemäßen Leistungs­ dioden-Struktur auf einen GTO-Thyristor mit einer Metallisie­ rung 24, n+-leitenden Bereichen 25, Metallkontakten 26 und Metallkontakten 27. Fig. 7 shows an application of the power diode structure according to the invention on a GTO thyristor with a Metallisie tion 24 , n + -conducting regions 25 , metal contacts 26 and metal contacts 27th

Claims (13)

1. Leistungsdioden-Struktur mit verbesserten dynamischen Ei­ genschaften, mit einem Halbleiterkörper (1) des einen Lei­ tungstyps, in dessen eine Oberfläche eine Halbleiterzone (2) des anderen, zum einen Leitungstyp entgegengesetzten Leitung­ styps eingebettet ist, einer die Halbleiterzone (2) kontak­ tierenden ersten Elektrode (4) und einer den Halbleiterkörper (1) kontaktierenden zweiten Elektrode (5), dadurch gekennzeichnet, daß im Halbleiterkörper (1) mindestens ein floatendes Gebiet (6) des zweiten Leitungstyps vorgesehen ist.1. Power diode structure with improved dynamic egg properties, with a semiconductor body ( 1 ) of a line type, in which a surface is embedded a semiconductor zone ( 2 ) of the other, a line type opposite line type, one of the semiconductor zone ( 2 ) contact The first electrode ( 4 ) and a second electrode ( 5 ) contacting the semiconductor body ( 1 ), characterized in that at least one floating region ( 6 ) of the second conductivity type is provided in the semiconductor body ( 1 ). 2. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung in lateraler bzw. senkrechter Richtung be­ züglich der Verbindungsrichtung zwischen erster und zweiter Elektrode (4, 5) in den floatenden Gebieten (6) und den an sie angrenzenden Gebieten des Halbleiterkörpers (1) so ge­ wählt ist, daß in keinem dieser Gebiete die materialspezifi­ sche Durchbruchsladung überschritten wird.2. Power diode structure according to claim 1, characterized in that the doping in the lateral or vertical direction be with respect to the connection direction between the first and second electrodes ( 4 , 5 ) in the floating regions ( 6 ) and the regions of the semiconductor body adjacent to them ( 1 ) is selected so that the material-specific breakthrough charge is not exceeded in any of these areas. 3. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem aus Silizium bestehenden Halbleiterkörper (1) die Durchbruchsladung unter 2.1012 cm-2 liegt.3. Power diode structure according to claim 2, characterized in that in a semiconductor body made of silicon ( 1 ) the breakdown charge is below 2.10 12 cm -2 . 4. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dotierung so gewählt wird, daß das laterale Ladungs­ integral im Bereich der halben Durchbruchsladung liegt.4. Power diode structure according to claim 2 or 3, characterized, that the doping is chosen so that the lateral charge integral in the area of half the breakthrough charge. 5. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) außerhalb der floatenden Gebiete (6) höher dotiert ist als im Bereich der floatenden Gebiete (6).5. Power diode structure according to one of claims 1-4, characterized in that the semiconductor body ( 1 ) outside the floating regions ( 6 ) is doped higher than in the region of the floating regions ( 6 ). 6. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) außerhalb der floatenden Gebiete (6) mit einer Dotierungskonzentration von etwa 8.1014 cm-3 bei einer Schichtdicke von etwa 25 µm versehen ist.6. Power diode structure according to claim 5, characterized in that the semiconductor body ( 1 ) outside the floating regions ( 6 ) is provided with a doping concentration of about 8.10 14 cm -3 with a layer thickness of about 25 microns. 7. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die floatenden Gebiete (6) bei Anlegen einer Spannung von 80% der Betriebsspannung von der Raumladungszone erreicht sind.7. Power diode structure according to one of claims 1-6, characterized in that the floating regions ( 6 ) are reached by applying a voltage of 80% of the operating voltage from the space charge zone. 8. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die floatenden Gebiete (6) höher dotiert sind als die an sie angrenzenden Gebiete des Halbleiterkörpers (1).8. Power diode structure according to one of claims 1-7, characterized in that the floating regions ( 6 ) are doped higher than the regions of the semiconductor body ( 1 ) adjacent to them. 9. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die floatenden Gebiete (6) so hoch dotiert sind, daß die­ se bei Anlegen der Betriebsspannung wenigstens teilweise nicht von Ladungsträgern ausgeräumt sind, so daß die zweite Elektrode (5) für Ströme mit Ladungsträgern des zweiten Lei­ tungstyps als transparenter Emitter wirkt.9. Power diode structure according to claim 8, characterized in that the floating regions ( 6 ) are doped so highly that they are at least partially not cleared of charge carriers when the operating voltage is applied, so that the second electrode ( 5 ) for currents with Charge carriers of the second line type act as a transparent emitter. 10. Leistungsdioden-Struktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper (1) im Bereich zwischen den floa­ tenden Gebieten (6) in der Nähe der zweiten Elektrode (5) hö­ her dotiert ist als in den umgebenden Bereichen. 10. Power diode structure according to claim 9, characterized in that the semiconductor body ( 1 ) in the area between the floa tend areas ( 6 ) in the vicinity of the second electrode ( 5 ) is doped higher than in the surrounding areas. 11. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die floatenden Gebiete säulenförmig, kugelförmig oder el­ lipsoidförmig in quadratischer oder hexagonaler Anordnung vorliegen.11. Power diode structure according to one of claims 1-10, characterized, that the floating areas are columnar, spherical or el Lipsoid-shaped in a square or hexagonal arrangement available. 12. Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus Si oder SiC oder GaAs besteht.12. Power diode structure according to one of claims 1-11, characterized, that the semiconductor body consists of Si or SiC or GaAs. 13. Verwendung der Leistungsdioden-Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für MOSFETs, JFETs, Bipolartransistoren oder Thyristoren.13. Use of the power diode structure according to one of the Claims 1 to 12 for MOSFETs, JFETs, bipolar transistors or thyristors.
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